进程间通信的背景

进程间通信就是在不同的进程之间进行的数据的交换，进程间通信又称为Interprocess communication，简称IPC，Linux下的IPC有多种方式，比如，管道，System V IPC，POSIX IPC。

POSIX的全称是 "Portable Operating System Interface"，POSIX不仅仅是一个单一标准，而且是IEEE（Institute for Electrical and Electronics Engineers, Inc. IEEE）指定的一个标准族。POSIX IPC一共有三个，就是Message Queue（消息队列）,semaphores（信号量），Shared Memory（共享内存）

为什么要进行进程间通信？

进程具有独立性，进程之间交互数据的成本比较高，通信的目的主要是为了进行数据传输、资源共享、通知事件，进程控制。

通信本质：让不同的进程看到同一个资源（比如文件，内存块，队列，网络...)，不同资源决定不同种类的通信方式。

管道

什么是管道？

管道是Unix最古老的通信方式，比如在命令行上启动who程序和wc程序：

who程序是查看当前登录的用户个数：

wc则是打印文件的相关信息，-l选项是打印文件有多少行

使用命令who | wc -l就可以知道有多少个用户正在登录了：

这个|就是管道，who进程把文件内容写入管道当中，wc进程再从管道当中读取内容，最终输出到用户客户端上，这个管道是内存级文件，管道文件也是一样的，因为内存级文件读取写入速度远大于磁盘文件，底层是将磁盘文件打开对应的内存上的文件缓冲区作为管道。

画图理解如下：

匿名管道

匿名管道原理

Linux中的文件描述符_且随疾风前行->的博客-CSDN博客

由Linux文件描述符篇，进程控制块PCB中是有文件指针指向被打开的文件的。

所以父进程打开文件，创建子进程，子进程拷贝了父进程的文件指针数组，而文件指针指向的文件内部有缓冲区，于是父子进程就可以通过看到的同一个文件的缓冲区进行通信，画图理解创建进程过程如下：

在内核代码中看内核管道的数据结构也可以看见管道的缓冲区：

这个缓冲区就在内存中，可以看到缓冲区中的页指针：

如何创建匿名管道？

父进程创建管道文件，并打开管道文件的读写端，子进程继承父进程的管道文件，然后关闭父进程或子进程对应的读写端，完成管道的单向通信。之所以让父进程同时打开文件的读写端，是为了方便子进程继承父进程的读写端不用再读写打开文件。关闭读写端是因为这是管道的特性，管道在内核的底层实现就是单向通信，即一方读取一方写入的单向通信，谁关闭写端谁关闭读端由需求决定。

比如：要实现管道通信，让父进程做写端，子进程做读端，就是下面的图解，

前面提到在命令行上的管道通信本质上是我们的父进程，创建了管道文件，然后又创建了两个子进程继承了管道文件，然后两个子进程之间进行进程间通信。

使用系统调用pipe创建管道文件系统调用会将文件描述符写入pipefd数组，零号下标表示读端，一号下标表示写端。（联想记忆：0-嘴巴-读书-读端，1-笔-写字-写端）

测试代码：

输出：

可见打开的是3号文件和4号文件

创建管道文件代码示例：

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <stdlib.h>
using namespace std;
int main()
{
  int pipefd[2] = {0};
  if (pipe(pipefd) != 0)
  {
    cerr << "pipe error!" << endl;
    return 1;
  }

  pid_t id = fork();
  if (id == 0)
  {
    sleep(1);
    // child,read,close write
    close(pipefd[1]);
    char buff[1024];
    while (1)
    {
      ssize_t s = read(pipefd[0], (void *)buff, sizeof buff);
      if (s > 0)
      {
        cout << "child process echo:" << buff << endl;
      }
      else if (s == 0) // 表示读取结束，因为写端关闭
      {
        cout << "read end" << endl;
        exit(0);
      }
      else
      {
        cout << "read error" << endl;
        exit(-1);
      }
    }
  }

  close(pipefd[0]);
  // parent,write,close read
  while (1)
  {
    char buff[1024] = "message from parent process---";
    write(pipefd[1], buff, sizeof buff);
    sleep(2);
  }
  return 0;
}

注意read函数使用：read函数读取文件读取成功，返回读取的字节数，读取失败返回负一，读取结束返回零，为何能知道读取结束呢？因为文件当中有类似引用计数的文件计数，记录了文件被打开的次数，当写端关闭的时候，计数减一，所以读端文件能够感知到，所以能够结束读取返回0，运行程序时也可以验证，比如杀死父进程，子进程会读取结束：

当代码运行时，父进程每隔两秒写入管道一次，而每隔两秒子进程输出一次，这说明当管道中没有数据的时候，子进程读端会堵塞式地等待读取。而且可以验证当写端写满的时候，写端将会阻塞，不再写入，这说明读写端管道文件是具有访问控制和同步机制的。阻塞等待的本质是将进程PCB放入等待队列中，这个等待队列就在管道文件的内部维护着。

匿名管道的特征总结：

管道只能用于具有血缘关系的进程之间的通信，常用于父子之间的通信。

管道只能进行单向通信，也即一方写入一方读取，这是半双工的一种特殊情况。（半双工指的是一方读取，一方写入，但不固定哪一方读取或者哪一方写入。）

管道是面向字节流的，先写入的先被读取，没有格式边界。

管道本质是文件，文件的生命周期是随进程的。